열전달(Heat Transfer)
2012년도 1학기(제 2주)
제1장 열전달 메카니즘
(Heat Transfer Mechanism)
2012년도 1학기
기계자동차공학부
박 승 운
제1장 열전달 메카니즘
◈ 학습목표
o 열전달 3대 메카니즘(전도, 대류, 복사)에 대한 개념 이해 o 실제 공학적인 문제에 대한 응용 예를 들어 실무 감각 숙지
◈ 학습성과
o 열전달 3대 메카니즘(전도, 대류, 복사)에 대한 기본식을 제시하고, 그 개념을 설명할 수 있어야 함.
강의 내용 및 순서
■ 열전달 메카니즘 ■ 전도
■ 대류 ■ 복사
■ 복합 열전달 메커니즘 ■ 종합요약
제1장 열전달 메카니즘
■ 열전달 메카니즘
o 열역학 : 열의 평형상태를 취급
o 열전달 : 열 에너지가 평형상태를 유지하기 위해 이동하는 량을 취급
- 열의 이동 과정 : 전도(conduction), 대류(convection), 복사(radiation)
그림출처 http://image.search.naver.com
제1장 열전달 메카니즘
■ 전도(Conduction)
o 입자간 상호작용에 의해 에너지가 많은 입자에서 에너지가 적은 입자로 전달되는 에너지의 형태.
- 고체 : 분자의 진동과 자유전자의 에너지 전달에 의함.
- 기체, 액체 : 분자들의 충돌과 확산에 의함.
제1장 열전달 메카니즘
■ 전도(Conduction)
- 열전달률은 물체의 재질, 형상, 두께, 온도차에 의해 결정됨.
o 평면벽(plane wall)에서의 열전달
; Fourier 의 열전도 법칙 # 예제 1-1
제1장 열전달 메카니즘
■ 전도(Conduction)
o 열전도도(thermal conductivity) [W/m℃]
; 물질에 따른 열 전도 능력
Thermal conductivity, k
Material k [W/m℃]
Diamond Silver Copper Gold Aluminum Iron Mercury Glass Water Wood(oak) Air
2300 429 401 317 237 80.2 8.54 0.78 0.613 0.17 0.026
제1장 열전달 메카니즘
■ 전도(Conduction)
o 열전도도(thermal conductivity) [W/m℃]
제1장 열전달 메카니즘
■ 전도(Conduction)
o 열확산율(thermal diffusivity),
α
[m2/s]; 열이 재질로 얼마나 빨리 확산되는가를 나타내는 재질의 열적 특성.
- 재질의 열전도도에 대한 단위 체적당 열용량의 비
Thermal diffusivity, α
# 예제 1-2
Material α [㎡/s]
( x 10-6 ) Silver
Gold Copper Aluminum Iron Mercury Glass Water Wood(oak)ir
149 127 113 97.5 22.8 4.7 0.34 0.14 0.13
제1장 열전달 메카니즘
■ 대류(Convection)
; 고체면과 인접하여 유동하는 액체 또는 기체 사이에서 발생하는 열전달 현상.
- 전도와 유체운동의 복합적 영향을 받음.
o 강제대류(forced convection) : 외부의 영향에 의하여 표면 위로 유체가 강제로 유동되는 경우.
o 자연대류(natural convection) : 유체 내부의 온도차에 의해 유체유동이 이루어 지는 경우.
제1장 열전달 메카니즘
■ 대류(Convection)
; Newton의 냉각법칙
※ h 는 물체의 특성이 아님.
-표면의 기하학적 형상, 유체유동, 유체특성, 유속 등 에 영향을 받음.
# 예제 1-4
제1장 열전달 메카니즘
■ 복사(Radiation)
; 물질의 원자나 분자의 구조가 변하면서 전자파 또는 광자의 형태로 방출되는 에너지의 전달.
- 중간매체가 필요 없음.
- 온도에 의해 물체가 방출하는 열복사(thermal radiation)만 취급.
제1장 열전달 메카니즘
■ 복사(Radiation)
o 절대온도 인 표면에서 방출하는 최대 복사율
; Stefan-Boltzmann 법칙
※ 흑체(blackbody) : 최대 복사열을 방출하는 이상적인 물체 흑체복사(blackbody radiation) : 흑체가 방출하는 복사
o 절대온도 인 표면의 실제 물체에서의 복사
제1장 열전달 메카니즘
■ 복사(Radiation)
o 흡수(absorbed) 와 반사(reflected)
제1장 열전달 메카니즘
■ 복사(Radiation)
o 절대온도 인 물체가 절대온도 인 물체에 둘려 싸인 경우
※ 둘러싸고 있는 표면의 면적과 방사율은 순 복사열전달에 아무런 영향이 없음.
o 기체로 둘러싸인 물체의 복사열전달
# 예제 1-5
제1장 열전달 메카니즘
■ 복합 열전달 메카니즘
o 고체 : 전도, 복사
o 고체 표면이 유체에 노출된 경우 : 대류, 복사 o 정체된 유체 : 전도, 복사
o 유동 유체 : 전도, 대류 o 진공 : 복사
# 예제 1-9
제1장 열전달 메카니즘
★ 열유동 부호
★ 좌표계
▶ 직교좌표계
p(x,y,z)
▶ 원통좌표계
p(r,φ,z)
▶ 구좌표계
p(r,φ,θ)
▣ 종합요약
▶ 전도(Conduction)
: Fourier의 열전도 법칙
▶ 대류(Convection)
: Newton의 냉각법칙 ▶ 복사(Radiation)
: Stefan-Boltzmann 법칙
제1장 열전달 메카니즘
◈ 다음강의(예고)
- 정상상태에서의 열전도 * 정상상태란 ?
* 열저항이란?
* 1차원, 2차원, 3차원 열전달 개념 * 열 접촉저항과 열 관류율
* 기하학적 형상에 대한 열전달
